桂西南马尾松人工林微量元素积累及其分布特征

李春宁, 张 智, 陈振华, 何 斌, 满德强, 王 聪

(1.广西大学林学院，广西 南宁 530004；2.广西国有派阳山林场，广西 宁明 532500)

林木生长中的养分吸收与积累过程是森林生态系统地球生物循环的重要环节，直接影响着森林生产力的高低和生态系统的稳定与持续[1-2]。与大量元素一样，微量元素对林木生物生产力的形成和提高同样起着不可或缺的作用[3]。开展森林微量元素的积累与分配格局研究，不仅可以揭示其对微量元素的吸收和累积特点，而且对指导经营管理尤其是林地养分管理，提高林地生产力都具有重要意义[3]。由于林木中的微量元素含量较低，并受到实验条件的限制，国内外有关森林生态系统中营养元素积累与分布特征的研究主要集中在大量元素[4-8]，涉及微量元素的研究很少。近年来，有关森林尤其是人工林微量元素积累及其分布研究报道逐渐增多，主要包括马尾松(Pinusmassoniana)[4]、杉木(Cunninghamialanceolata)[5]、杨树(Populus)[6]、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)[7]、尾巨桉(Eucalyptusurophylla×E.grandis)[8]和闽楠(Phoebebournei)[9]等主要人工林。

马尾松具有适应性强、速生丰产、干形通直圆满和材质优良等优点，是我国重要的速生用材造林树种，主要分布于我国南方各省区。桂西南是马尾松的重要栽培区之一，桐棉松是生长在广西宁明县桐棉镇的马尾松优良地理种源[10]。目前，有关马尾松(桐棉松)人工林的相关研究已有较多报道[10-13]，但主要集中在引种造林、组培快繁、间伐强度和生物生产力方面，关于其林木营养特征尤其是微量元素特征方面的研究尚未见报道。为此，本研究通过对5、10和15 年生马尾松人工林5种微量元素(Fe、Mn、Cu、Zn和B)含量、积累量和年净积累量及其分布特征的研究，揭示其生长过程对微量元素吸收与积累及其变化规律，以期为合理制定马尾松人工林的林地土壤管理措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究区位于广西国有派阳山林场鸿鴣分场，地处广西宁明县(106°38′～107°36′E，21°51′～22°58′N)，属南亚热带半湿润—湿润气候区，年均气温21.9 ℃，年均降水量1 500 mm[14]。研究林分包括5、10和15年生马尾松人工林，其种源来源于广西宁明县桐棉镇的桐棉种源(桐棉松)，各林分立地条件和主要经营管理措施见文献[10]。2020年5月调查时，试验地土壤(0～40 cm)有效Fe、有效Mn、有效Zn、有效B和有效Cu含量分别为33.60～42.74、18.50～21.06、0.52～0.73、0.30～0.45和0.65～1.25 mg·kg-1，其他主要养分含量见文献[10]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与林分生物量的测定 根据广西国有派阳山林场不同林龄马尾松人工林林分分布状况，于2020年5月在5、10和15年生马尾松人工林中选择生长良好的地块，各设置3块20 m×20 m(400 m2)标准样地。调查测定样地内林木的胸径、树高、冠幅和枝下高，根据调查结果计算林分平均胸径和平均树高[3]。不同林龄马尾松人工林林分生长状况见表1[10]。

表1 不同林龄马尾松人工林林分生长状况

分别在每个林龄样地内选择3株平均木并伐倒，采用“Monsic分层切割法”测定树叶、树枝、干皮、干材即地上部分鲜质量，采用“全根挖掘法”测定根系即地下部分鲜质量[15]。同时在各样地内按对角线分别设置3个2 m×2 m小样方，对样方内灌木与草本的种类、个体数、高度和覆盖度等进行调查，然后采用“样方收获法”测定灌木层、草本层和凋落物层鲜质量[15]。分别将约500 g乔木层各器官、灌草层(灌木层—草本层)和凋落物层样品,带回实验室后放入烘箱内，于80 ℃烘至恒质量，测定各样品的含水率和干质量，计算各组分生物量。

1.2.2 样品采集和养分元素含量的测定 选取各组分植物样品，在85 ℃下烘干并粉碎过0.25 mm尼龙筛后装入自封袋内。同时在每块样地内按“S”型设置5个采样点，采集0～40 cm土层土壤样品约1 kg。相同样地土壤样品先混合均匀，再采用四分法取1 kg混合样品装入自封袋[16]，同时用环刀采集原状土。

植物样品中微量元素Fe、Mn、Cu和Zn含量采用HClO4—HNO3消化法消煮后，用原子吸收分光光度法[17]测定；B含量用干灰—姜黄素法[17]测定。

1.3 数据统计与处理

利用Excel 2013处理数据，采用SPSS 22.0进行统计分析。采用单因素方差分析对不同林龄马尾松人工林微量元素数据进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同林龄马尾松人工林微量元素含量比较

从表2可见，马尾松微量元素含量因器官不同而存在差异，除Fe元素外，各器官微量元素含量均以树叶最高、干材最低；同一器官不同微量元素含量以Mn或Fe最高、Cu最低。随林龄增加，不同器官同一元素含量也随之发生变化。树叶Mn和Cu含量随林龄增加均逐渐升高，其中15年生与5年生间的差异均达显著水平(P<0.05)；Fe和Zn含量为先下降(5～10年生)后升高(10～15年生)，其中15年生与10年生Fe含量间以及10年生与5年生Zn含量间的差异也均达显著水平；B含量则逐渐下降，且不同林龄间的差异均显著。除树叶外，其他器官中各微量元素含量也因林龄不同而存在不同程度的差异。

表2 不同林龄马尾松不同器官的微量元素含量比较1)

2.2 不同林龄马尾松人工林微量元素积累量及其分布

从表3可见，5、10和15年生马尾松人工林5种微量元素积累量分别为10.165、25.343和41.128 kg·hm-2，其中乔木层积累量分别为8.023、21.669和36.561 kg·hm-2，均随林龄增加而显著增大(P<0.05)。5、10和15年生林分不同结构层次微量元素积累量在整个林分微量元素总积累量的占比中，乔木层占比分别为78.93%、85.50%和88.90%，灌草层占比分别为10.85%、5.72%和3.43%，凋落物层占比分别为10.24%、8.78%和7.67%。在乔木层不同结构层次养分积累量的变化趋势中，树冠(树叶+树枝)微量元素积累量分别占乔木层积累量的52.39%、37.15%和29.93%，树干(干材+干皮)分别占21.02%、30.13%和40.17 %，树根分别占25.02 %、32.72%和27.91%。可见，树干微量元素积累量占比随林龄增加而明显增大，树冠占比则呈现相反的变化趋势。各林龄林分不同微量元素积累量以Fe最大，占林分微量元素积累量的45.04%～47.81%， Cu最少，仅占1.55%～1.87%。

表3 不同林龄马尾松人工林微量元素的积累量与分配1)

2.3 不同林龄马尾松人工林微量元素年净积累量比较

从表4可见，5、10和15年生马尾松人工林Fe、Mn、Cu、Zn和B微量元素年净积累量分别为1.605、2.167和2.397 kg·hm-2·a-1，呈现随林龄增大而增加的变化趋势，其中10和15年生微量元素年净积累量均显著高于5年生(P<0.05)。随林龄增加，不同器官微量元素年净积累量的变化过程不尽相同，树叶微量元素年净积累量逐渐下降，干皮和干材逐渐升高，树枝和树根则先升高后缓慢下降。在同一器官中，除B外，其他4种微量元素年净积累量均呈现随林龄增加而增大的变化趋势。各林龄不同微量元素年净积累量排序与其积累量相一致，表现为：Fe>Mn>Zn>B>Cu。

表4 不同林龄马尾松人工林微量元素的年净积累量1)

3 讨论与结论

树木的营养元素含量与分布特征主要取决于其生物学特性，同时也受到其生境条件的影响[8]。由于不同器官的结构和生理机能不同，不同微量元素在林木生长过程中的作用也不同，因此树木中各器官的微量元素含量因元素不同、器官不同而存在差异[18]。本研究中，不同林龄马尾松各器官5种微量元素除Fe元素外，其他微量元素含量均以新陈代谢活跃、生理活动最强的树叶为最高，其次是干皮、树枝和树根，主要起到运输水分和无机盐的作用，生理活动较弱的干材最低。在同一器官中不同微量元素含量均以Mn或Fe最高、Cu最低，与尾巨桉[8]、马占相思[18]和灰木莲[19]基本一致，但其中的Mn、Fe、Zn和Cu含量由大到小的排列次序与杉木[5]、杨树[6]、华北落叶松[7]、闽楠[9]等树种(Fe>Mn>Zn>Cu)存在一定差异，这既反映了马尾松人工林对微量元素的吸收和积累特性，同时也与本研究区域的亚热带红壤地区土壤中Fe和Mn的高含量和高活性，以及Zn、B和Cu的低含量和低有效性有着密切的关系[18]。随着林龄增加, 马尾松不同器官各微量元素含量均发生不同程度的变化，且其变化过程也因为元素不同或器官不同而存在差异，其中树叶B含量呈现下降的趋势，10年生和15年生Zn含量均低于5年生，表现出与广西中部马尾松人工林相反的变化趋势[4]，其原因可能是因为随着马尾松人工林的生长，林木中Zn、B快速积累，但从土壤中吸收的Zn、B含量较低，供应不足，从而导致树叶中Zn、B含量降低而出现的“养分稀释效应”现象。

桂西南5、10和15年生马尾松人工林微量元素总积累量分别为10.165、25.343和40.453 kg·hm-2，其中乔木层积累量分别为8.023、21.69和36.561 kg·hm-2，均随林龄增加而显著增大。据报道，4、7和11年生马占相思人工林乔木层微量元素积累量分别为6.609、12.248和16.899 kg·hm-2[18]，5年生尾巨桉人工林[8]和10年生灰木莲人工林[19]乔木层微量元素积累量分别为20.516和12.380 kg·hm-2。可见，本研究区马尾松人工林对微量元素具有较强的吸收和积累能力。乔木层不同林龄间微量元素积累增长量为5～10年生(15.178 kg·hm-2)略高于10～15年生(14.890 kg·hm-2)，与其生物量增长量的排列次序即10～15年生(68.62 t·hm-2)>5～10年生(59.37 t·hm-2)恰好相反，说明乔木层中微量元素积累与其生物量积累并不同步，其原因是5～10年生间乔木层生物量的增长主要为微量元素含量较高的树枝和树叶生物量的增长，而10～15年生乔木层生物量增长则主要为微量元素含量较低的干材生物量的增长[10]。林下植被和凋落物层均是林木微量元素归还的重要途径。不同林龄马尾松人工林林下植被层和凋落物层微量元素积累量分别在1.103～2.449和1.041～3.155 kg·hm-2之间，占林分微量元素积累量的3.49%～10.85%和7.80%～10.24%，其中微量元素积累量随林龄的增加而增大，表明马尾松人工林生长过程有利于促进生态系统的微量元素生物循环。

5、10和15年生马尾松人工林5种微量元素年净积累量分别为1.605、2.167和2.392 kg·hm-2·a-1，随林龄增加而增大，且均明显高于相似林龄的马占相思人工林[18]和秃杉人工林[15]，说明该林分对微量元素的积累速率较高[19]。由于不同林龄马尾松人工林林下植被和凋落物层微量元素积累量均不高，且其凋落物的主要成分针叶多为厚革质，含有较多的木质素、纤维素、单宁等物质，分解缓慢[20]，不利于其生态系统微量元素地球生物循环。因此，在马尾松人工林经营管理中，如果能够根据不同生长阶段林木微量元素的丰缺状况，结合林地土壤养分供给状况，确定施加微量元素肥料的种类及其用量，进行林地土壤精准施肥管理，合理补充马尾松人工林生长需要而林地土壤较缺乏的微量元素肥料，可能对加快微量元素的生物循环与促进林木生长发育，进一步提高林分生产力具有重要的促进作用。